FSAE電動(dòng)方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\hFSAE電動(dòng)方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化TheSteeringSystemDesignandOptimizationofFSAEElectricRacingCar學(xué)生姓名：學(xué)生班級(jí)：學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)院：汽車工程學(xué)院專業(yè)：車輛工程（工科試驗(yàn)班）導(dǎo)師姓名及職稱：目錄第1章緒論1第1節(jié)引言1第2節(jié)FSAE大學(xué)生電動(dòng)方程式比賽介紹2第3節(jié)FSAE方程式汽車大賽賽事發(fā)展3第4節(jié)FSAE賽事競(jìng)技規(guī)則4第5節(jié)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5第6節(jié)本課題研究目的與意義5第7節(jié)本章小結(jié)6第2章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述7第1節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用和組成71.1賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類71.2電池選型8第2節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類122.1電機(jī)類型選擇122.2電機(jī)功率的選擇122.3電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的選擇152.4電機(jī)選型16第3節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求17第4節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程174.1傳動(dòng)比計(jì)算174.2最高車速及加速時(shí)間估算19第5節(jié)本章小結(jié)20第3章轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)21第1節(jié)轉(zhuǎn)向器方案選型211.1電池布置211.2電機(jī)布置221.3電機(jī)控制器布置23第2節(jié)轉(zhuǎn)向系主要參數(shù)選型242.1傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案242.2電機(jī)支架設(shè)計(jì)242.3減速器支架設(shè)計(jì)262.4聯(lián)軸器設(shè)計(jì)282.5球籠殼設(shè)計(jì)292.6半軸設(shè)計(jì)30第3節(jié)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算303.1電池箱體設(shè)計(jì)303.2電池箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34第4節(jié)本章小結(jié)35第4章轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)36第5章制造工藝分析40結(jié)論41致謝42參考文獻(xiàn)43摘要自2010年中國(guó)舉辦第一屆大學(xué)生方程式大賽以來，國(guó)內(nèi)參與FSAE比賽的學(xué)生數(shù)量逐年增多，引領(lǐng)了眾多工科院校學(xué)生的賽車運(yùn)動(dòng)熱潮。對(duì)于賽車競(jìng)技而言，賽車底盤設(shè)計(jì)很大程度上決定了賽車的操控性能。對(duì)與一項(xiàng)以極限競(jìng)技聞名的賽車運(yùn)動(dòng)，十分考驗(yàn)賽車手對(duì)于賽車的操控力，以達(dá)到理想的競(jìng)技狀態(tài)，所以賽車的操控性對(duì)于賽車競(jìng)技的重要性不言而喻。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于賽車的操控性而言也有著十分重要的地位，本文以吉林大學(xué)吉速電動(dòng)方程式賽車為對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。綜合考慮汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及賽車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱的特殊性，對(duì)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)判斷選型，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形同時(shí)對(duì)斷開點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后結(jié)合懸架系統(tǒng)確定賽車的定位參數(shù)，防止賽車結(jié)構(gòu)干涉。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，不斷與整車參數(shù)進(jìn)行匹配，協(xié)調(diào)，在實(shí)際制造加工過程中吸取經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過汽車轉(zhuǎn)向系理想的左右輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角關(guān)系的建模，優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系，保證賽車能夠?qū)崿F(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向性能和抓地性能。熟練運(yùn)用CATIA、MATLAB等軟件進(jìn)行三維建模以及轉(zhuǎn)向性能的仿真分析。充分將理論與實(shí)踐相結(jié)合，也為吉速電動(dòng)方程式賽車隊(duì)留下寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)供參考。關(guān)鍵詞：電動(dòng)賽車、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、參數(shù)匹配及優(yōu)化、轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)AbstractSince2010,Chinaheldthefirstformula,collegestudentstoparticipateindomesticFSAEmatchthenumberofstudentsincreasedyearbyyear,hasledtomanyengineeringcollegesanduniversitiesstudent'smotorsportboom.Forracingsports,thedesignofsteeringsystemforhandlingofthecaralsohasaveryimportantposition,inthispaper,jilinuniversity,thespeedofelectricformulaforthedesignofsteeringsystemandoptimizationfortheobject.Consideringthedesignrequirementsofautomotivesteeringsystemandtheparticularityofcarmanipulationofsteeringsystem,thestructureofmechanicalsteeringgearselection,designthemainperformanceparametersofthesteeringsystem,thedesignofsteeringtrapezoidaloptimizationdesignforthecut-offpoint,thepositioningparametersofsuspensionsystemdeterminesthecar,topreventthecarstructureinterference.Intheprocessofthedesignofthesteeringsystem,andvehicleparametersmatchingandcoordination,learningexperiencesinthepracticalmanufacturingprocess,optimizationdesign,throughthecaroftherelationshipbetweentheleftandrightwheelsteeringAngleofsteeringsystemidealmodeling,theoptimizationgoalturnedtorelationship,ensurethecarcanachievegoodsteeringperformanceandgrip.GoodcommandofCATIA,theMATLABsoftwarefor3dmodelingandsimulationanalysisofsteeringperformance.Fullycombiningtheorywithpractice,butalsoforthespeedofelectricformularacingteamleftavaluabledesignexperienceforreference.Keywords：electriccars,steeringsystem,parametersmatchingandoptimization,steeringtrapeziumdesign第1章緒論第1節(jié)引言賽車運(yùn)動(dòng)最早起源于城市間的公路比賽，距今已有100多年的歷史，可分為場(chǎng)地賽車和非場(chǎng)地賽車。而方程式賽車作為一項(xiàng)極具刺激感的場(chǎng)地型賽車比賽，其賽車制造的專業(yè)化和比賽的可欣賞性吸引了眾多賽車迷的參與。賽車必須依照相關(guān)規(guī)則協(xié)會(huì)制定的技術(shù)規(guī)則制造賽車，包括車體結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和寬度、最低重量、電子設(shè)備、輪胎的距離和大小等。為了在賽車這項(xiàng)極限汽車運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮賽車性能的極限狀態(tài)，相比較一般民用車而言，賽車的設(shè)計(jì)更加注重車輛動(dòng)力學(xué)和汽車的輕量化。同時(shí)，各大汽車公司都在投入大量的人力和物力支持賽車運(yùn)動(dòng)，如贊助F1等賽車比賽。賽車中的先進(jìn)技術(shù)也將逐步應(yīng)用到民用車上，可以說，賽車運(yùn)動(dòng)是汽車技術(shù)發(fā)展的先行者。在大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽中，由各大高校學(xué)生自主研發(fā)符合規(guī)則的賽車，在賽場(chǎng)中依照動(dòng)態(tài)賽規(guī)則比拼速度一較高下。但是在其背后是大學(xué)生們對(duì)賽車動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制、電池管理系統(tǒng)以及汽車電控系統(tǒng)等的深入研究與實(shí)踐。吉林大學(xué)吉速電動(dòng)方程式成立于2015年末，成功參加2016年中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽，作為第一年參賽的隊(duì)伍取得了第八名的成績(jī)。本人擔(dān)任2016年賽季車隊(duì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)車隊(duì)總籌規(guī)劃及賽車設(shè)計(jì)監(jiān)督工作，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題。本次以吉速電動(dòng)方程式賽車為研究對(duì)象，進(jìn)行FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作。主要進(jìn)行轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的選型、轉(zhuǎn)向參數(shù)的設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。第二節(jié)FSAE大學(xué)生電動(dòng)方程式比賽介紹中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽（FSEC）脫胎于中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FormulaStudentChina，簡(jiǎn)稱FSC），是一項(xiàng)由高等院校汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽，作為汽車專業(yè)教育的有益補(bǔ)充，被譽(yù)為“汽車工程師的搖籃”。2015年起FSC實(shí)行油電分離，電動(dòng)方程式比賽成為一個(gè)新的比賽類別——即FSEC。首屆比賽就吸引了全國(guó)28支大學(xué)生車隊(duì)參賽，已成為國(guó)內(nèi)乃至世界頗具影響力的非盈利性社會(huì)公益性賽事項(xiàng)目。中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽是全國(guó)高校中影響力最大、最專業(yè)的汽車技術(shù)展示、應(yīng)用平臺(tái)，是汽車企業(yè)最為認(rèn)可的人才選拔及儲(chǔ)備平臺(tái)，更是世界大學(xué)生技術(shù)交流的平臺(tái)。而中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的發(fā)展契合未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展需求，成為有志于新能源的大學(xué)生學(xué)習(xí)、展示和交流的最高平臺(tái)。中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽旨在由各高校車隊(duì)中的本科生和研究生成員根據(jù)當(dāng)年中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則來構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制造、研發(fā)并完成一輛小型電動(dòng)方程式賽車并參加比賽。參與大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的高校學(xué)生，在一年的時(shí)間內(nèi)制造一輛符合FSAE規(guī)則的電動(dòng)方程式賽車。在這一年中，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)理論知識(shí)，更將汽車知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的行動(dòng)力，在賽車上體現(xiàn)各自的專業(yè)水平。當(dāng)然，造車面臨的問題不單單是學(xué)習(xí)和創(chuàng)造賽車，物資支持的資源獲取能力以及積累賽車制造經(jīng)驗(yàn)對(duì)于越來越偏重理論化學(xué)習(xí)的大學(xué)生都是十分寶貴的收益。對(duì)于大學(xué)生而言，除了知識(shí)和技術(shù)上的收獲，在不斷解決實(shí)際問題的過程中，鍛煉了處理突發(fā)事件，解決棘手問題的能力，培養(yǎng)了從實(shí)際出發(fā)考慮問題的清醒意識(shí)，更是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雖然艱苦但充滿刺激與光榮的賽車夢(mèng)，對(duì)于許多參與大學(xué)生方程式賽車的同學(xué)來說，這都是人生的珍貴經(jīng)歷。同時(shí)，國(guó)內(nèi)越來越多的汽車企業(yè)也參與其中，無(wú)論是整車生產(chǎn)制造的一汽、上汽、東風(fēng)等，還是零部件企業(yè)如大陸集團(tuán)、博世集團(tuán)以及互聯(lián)網(wǎng)汽車公司如易車、蔚來等，都在支持這項(xiàng)充滿速度與激情的公益事業(yè)，不斷向各個(gè)車隊(duì)提供物資贊助以及提供技術(shù)人員協(xié)助組織比賽開展。在能源緊缺的大環(huán)境下，發(fā)展新能源汽車的大潮滾滾而來，新能源汽車的發(fā)展已列入《中國(guó)制造2025》十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。汽車行業(yè)的領(lǐng)頭集團(tuán)們也紛紛摩拳擦掌加快電動(dòng)車的研發(fā)進(jìn)程，社會(huì)對(duì)于電動(dòng)車人才的需求必然增大，通過大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽也將培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的新能源汽車行業(yè)的后備力量。第3節(jié)FSAE方程式汽車大賽賽事發(fā)展FSAE起源于美國(guó)休斯頓大學(xué)的一位在校博士組織的小型場(chǎng)地賽車比賽，這樣的木質(zhì)小型賽車也被稱之為“mini-Indy”賽車。這樣的“mini-Indy”賽車搭載五馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)于1979年在美國(guó)舉辦了第一屆世界大學(xué)生方程式汽車大賽，共有13支隊(duì)伍參加，并展示了各自隊(duì)伍充分的創(chuàng)意的想象力。自此以來，在全世界各地逐漸開展了FSAE的熱潮，不分國(guó)界的年輕學(xué)生加入這項(xiàng)充滿創(chuàng)意和未知的比賽中。從圖紙到現(xiàn)實(shí)，從零件到整車，從賽車落地到賽場(chǎng)奔馳，到現(xiàn)在，有超過15個(gè)國(guó)家每年舉辦20余場(chǎng)FSAE賽事。中國(guó)自2010年舉辦第一屆大學(xué)生方程式汽車大賽，已成功舉辦七屆。經(jīng)過六年多的發(fā)展和進(jìn)步，各大高校紛紛參與其中。在與世界FSAE比賽保持同步的同時(shí)，也增加了許多本土特色，以求和而不同。到2017年，有超過100支來自全國(guó)各大學(xué)校的車隊(duì)報(bào)名參加中國(guó)大學(xué)生方程式大賽。隨著汽車工業(yè)的革新，電動(dòng)車登上歷史舞臺(tái)，電動(dòng)方程式賽車比賽也發(fā)展迅速。德國(guó)賽率先舉辦電動(dòng)方程式大賽。中國(guó)在2013年開始設(shè)立電車組比賽，第一年由10所學(xué)校報(bào)名參加，合肥工業(yè)大學(xué)取得國(guó)內(nèi)第一名的成績(jī)。2015年開始實(shí)行油電分離，在上海舉辦中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽。2016年，由蔚來公司冠名贊助，舉辦蔚來杯電動(dòng)方程式大賽。通過制造一輛賽車可以培養(yǎng)及提高學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，同時(shí)還能夠緊密結(jié)合汽車工業(yè)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，讓廣大學(xué)生把最前沿的工程技術(shù)與課本知識(shí)有效地結(jié)合起來。吉林大學(xué)自2010年參加第一屆方程式汽車大賽，2016年參加電動(dòng)方程式賽車大賽。隨著汽車技術(shù)的革新，方程式大賽仍在不斷的發(fā)展和完善中，2016年，德國(guó)賽舉辦第一屆無(wú)人方程式大賽，而中國(guó)也在2017年舉辦無(wú)人方程式大賽，培養(yǎng)更多走在行業(yè)發(fā)展前沿的卓越汽車人才。第4節(jié)FSAE賽事競(jìng)技規(guī)則大學(xué)生方程式大賽旨在讓學(xué)生們自行設(shè)計(jì)、制造以及調(diào)試方程式賽車并參加最終的比賽。賽事主辦方對(duì)賽車整體設(shè)計(jì)較少的規(guī)則限制，從設(shè)計(jì)產(chǎn)品的角度，這輛方程式賽車需要滿足賽車的安全性、操控性、加速性以及其他性能的基本要求；從商品化的角度，這是一輛需要滿足市場(chǎng)需求以及成本合理的條件下的周末休閑賽車。主辦方根據(jù)以上要求從靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)角度給出競(jìng)技評(píng)分規(guī)則，以體現(xiàn)比賽的公平性和全面性。第5節(jié)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)乘用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，更加注重轉(zhuǎn)向操縱的靈敏度，車手需要在較短時(shí)間內(nèi)迅速過彎，同時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是賽車手駕駛過程中操縱最多的機(jī)構(gòu)，便于車手操縱的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)于提高賽車性能的影響不可小視。賽車上由于結(jié)構(gòu)空間的限制，沒有傳統(tǒng)乘用車上的轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，對(duì)FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化以及賽車動(dòng)力學(xué)的研究上，利用Matlab等軟件建立轉(zhuǎn)向梯形的幾何模型，控制實(shí)際阿克曼和理想阿克曼之間的誤差值，優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形從而提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱的穩(wěn)定性。第6節(jié)本課題研究目的與意義本課題基于吉林大學(xué)吉速電動(dòng)方程式賽車，根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。主要從轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的選型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等方面展開研究。滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，保證賽車較高的機(jī)動(dòng)性和操縱方便以及不發(fā)生側(cè)滑，不與懸架機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉等。根據(jù)規(guī)則進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確保設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。本課題的研究為本學(xué)校電動(dòng)方程式車隊(duì)的今后的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)提供參照，對(duì)于一個(gè)剛剛建立一年多的新車隊(duì)來說，缺乏賽車設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，十分需要對(duì)賽車系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)過程。在目前的電動(dòng)方程式大賽中，也較為缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的論文參照。更多都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，缺少理論依據(jù)。故本課題的研究幫助本學(xué)校車隊(duì)的新隊(duì)員學(xué)習(xí)賽車?yán)碚撝R(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有更加深刻的了解，對(duì)車隊(duì)成員的成長(zhǎng)由一定的促進(jìn)作用。第7節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹了中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的發(fā)展情況、競(jìng)技規(guī)則和未來趨勢(shì)以及對(duì)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀的簡(jiǎn)述。最后介紹本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究意義。第2章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是賽車手在競(jìng)技過程中的主要操縱機(jī)構(gòu)之一，很大程度的決定了賽車的操控性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)過程，需要從設(shè)計(jì)參數(shù)到機(jī)械機(jī)構(gòu)逐步實(shí)現(xiàn)。本章主要介紹FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成以及設(shè)計(jì)要求等并根據(jù)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則制定賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，確定研究的重點(diǎn)。第1節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用和組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過協(xié)調(diào)各轉(zhuǎn)向車輪之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系使汽車能夠按照駕駛員的意圖保持或改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)。賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，賽車手施加手力在方向盤上使其轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度。根據(jù)規(guī)則要求，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要具備快拆機(jī)構(gòu)用于分離轉(zhuǎn)向柱和方向盤，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中又包括萬(wàn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向梯形臂。除此以外，還需要轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向軸實(shí)現(xiàn)方向盤到轉(zhuǎn)向器之間的連接。而轉(zhuǎn)向器利用內(nèi)部的齒輪齒條傳動(dòng)副將轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向梯形臂共同作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上，轉(zhuǎn)向輪實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。第2節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)區(qū)別賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是根據(jù)乘用車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變形而來，基本功能相同，都是為了實(shí)現(xiàn)按照駕駛員意圖的保持或改變行駛方向。但是一方面由于方程式賽車是場(chǎng)地競(jìng)技類賽車，需要考慮駕駛場(chǎng)地對(duì)于操縱的影響，另一方面由于競(jìng)技比賽需要賽車手對(duì)賽車由足夠的掌控力，所以對(duì)駕駛員的要求也會(huì)影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)以上特殊性，賽車與普通乘用車在結(jié)構(gòu)上有以下區(qū)別：普通乘用車一般會(huì)有副駕駛位的存在，方向盤處于汽車中軸線的左側(cè)或右側(cè)（國(guó)內(nèi)一般為左舵），所以整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位于整車的左側(cè)，轉(zhuǎn)向器左右輸出不同，左右轉(zhuǎn)向節(jié)也存在區(qū)別不對(duì)稱；但方程式賽車根據(jù)規(guī)則為小型單人座休閑賽車，故不存在副駕駛空間的要求，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位于整車中心軸線處并關(guān)于其對(duì)稱，轉(zhuǎn)向器左右輸出對(duì)稱。普通乘用車通常駕駛員采取坐姿駕駛，方向盤相對(duì)于駕駛員有一定前傾角度。而方程式賽車為了提高賽車的操縱穩(wěn)定性，質(zhì)心高度相比于一般乘用車要低得多，若駕駛員仍采用坐姿駕駛，會(huì)較大影響賽車的質(zhì)心位置，故為了減少駕駛員對(duì)質(zhì)心高度的影響，賽車手采用半躺的姿勢(shì)在駕駛艙內(nèi)，駕駛時(shí)雙手伸展程度更大，這對(duì)于駕駛來說更加需要考慮舒適性。所以在設(shè)計(jì)安裝方向盤時(shí)，需要著重考慮操縱性和舒適性。FSAE賽車動(dòng)態(tài)賽規(guī)則中體現(xiàn)賽道中設(shè)置了較多的彎道和錐桶，同時(shí)賽車競(jìng)速時(shí)車速較高，這就要求賽車手能夠在高速條件下迅速過彎，所以在快速入彎和快速出彎的情況下，車手打方向的時(shí)間極短，需要保證車手在不換手的條件下轉(zhuǎn)到方向盤最大角度。如果單向方向盤最大角度大于180°，那么車手轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)操作十分不順暢，會(huì)影響賽車的操縱性。所以根據(jù)以上要求FSAE賽車的單側(cè)方向盤最大轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過180；而乘用車的駕駛員駕駛操縱條件好于賽車，故方向盤轉(zhuǎn)角范圍更大，普通乘用車的單側(cè)方向盤最大轉(zhuǎn)角可達(dá)540°。根據(jù)上述賽車方向盤最大轉(zhuǎn)角以及賽車快速入彎的要求，賽車的轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比相對(duì)于一般乘用車會(huì)小許多。一般乘用車的轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比為12：1到20：1的范圍內(nèi)；賽車的轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比一般在小于10：1的范圍內(nèi)。一般乘用車會(huì)采用不同的轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，使駕駛員操縱輕便。但方程式賽車由于可操作空間的限制和學(xué)生較難加工制作動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，故FSAE賽車一般不采取助力轉(zhuǎn)向裝置，只有機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。一般乘用車為了考慮不同駕駛能力的駕駛員，對(duì)駕駛操作的轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)度要求比較低，方向盤存在較大的自由行程。但方程式賽車由于比賽的競(jìng)技性，需要對(duì)轉(zhuǎn)向有精準(zhǔn)的控制才能節(jié)省轉(zhuǎn)向的時(shí)間取得更好的成績(jī)，故方向盤的自由行程控制在7°范圍內(nèi)。綜上，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車雖然作用相同，結(jié)構(gòu)類似，由于比賽規(guī)則、競(jìng)技條件和方程式賽車作為非量產(chǎn)車的加工、購(gòu)買渠道的不成熟的制約，賽車與乘用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在一些區(qū)別，需要因地制宜設(shè)計(jì)賽車。第3節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則和汽車設(shè)計(jì)對(duì)賽車的轉(zhuǎn)向系提出的設(shè)計(jì)如下設(shè)計(jì)要求：賽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，車輪應(yīng)繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，車輪不產(chǎn)生側(cè)滑。否則會(huì)加速輪胎的磨損，降低賽車的行駛穩(wěn)定性。賽車轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)回正繼續(xù)穩(wěn)定行駛。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架桿系共同運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生干涉對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響最小。轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性好，反應(yīng)靈敏，有迅速的過彎行駛能力。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)操縱輕便，有適當(dāng)?shù)穆犯蟹答仯阌谲囀竹{駛。遇到障礙物時(shí)，方向盤傳遞的反沖力盡可能小，避免打手。無(wú)論賽車方向盤如何旋轉(zhuǎn)，它的最高點(diǎn)不能超過前環(huán)的最高點(diǎn)。方向盤到車輪之間的連接必須為純機(jī)械連接，不得使用線控或電控轉(zhuǎn)向以保證可靠性。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)務(wù)必安裝限制轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)的限位塊。測(cè)量到的賽車方向盤的自由行程必須7°考慮到跑動(dòng)過程中賽車的動(dòng)態(tài)性能，盡量減少跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向等。在滿足以上要求的前提下，保證各部件剛度要求并盡量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。第3節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程根據(jù)上一節(jié)中FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合汽車設(shè)計(jì)和方程式大賽規(guī)則，確定如下的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程：（1）進(jìn)行賽車轉(zhuǎn)向器選型工作，對(duì)比不同種類轉(zhuǎn)向器確定選擇的類型；并依據(jù)賽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)從人機(jī)工程的角度設(shè)計(jì)賽車方向盤。（2）對(duì)最大轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比以及轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)齒條行程、轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)度、計(jì)算載荷等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)。（3）由轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)理論，確定斷開式轉(zhuǎn)向梯形的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系；確定賽車轉(zhuǎn)向梯形特性和斷開點(diǎn)位置，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)設(shè)計(jì)。（4）匹配轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架桿系，盡量避免干涉情況出現(xiàn)。（5）建立前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整車虛擬模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析轉(zhuǎn)向性能。第4節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹了FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)、功能機(jī)理和各部分作用，從場(chǎng)地競(jìng)技要求、駕駛環(huán)境以及駕駛員等方面分析了賽車與一般乘用車之間的不同點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向靈敏度、駕駛姿勢(shì)、傳動(dòng)比以及操縱空間上差異較大，故不能局限于汽車傳統(tǒng)設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)方程式賽車。根據(jù)二者的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，綜合汽車設(shè)計(jì)與方程式大賽規(guī)則，確定FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及主要設(shè)計(jì)流程。第3章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在第2章中，主要介紹了FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要求，確定了設(shè)計(jì)流程。在本章將根據(jù)上一章最后確定的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選型到轉(zhuǎn)向性能參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的確定，再到轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)，最后考慮與懸架系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。由淺到深、由易到難，系統(tǒng)地進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第1節(jié)轉(zhuǎn)向器方案的選型根據(jù)方程式大賽規(guī)則要求：FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)禁止使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。且賽車由于車架和其他機(jī)構(gòu)的限制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置空間較為局限，難以布置過多結(jié)構(gòu)。同時(shí)考慮輕量化的賽車設(shè)計(jì)要求，賽車轉(zhuǎn)向器的初步選擇為機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案。下一步將在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器這四種主要的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案中進(jìn)行選型。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器分類及特點(diǎn)根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不同，一般將機(jī)械式轉(zhuǎn)向器劃分為以下幾種，具體特點(diǎn)如下：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向齒輪和齒條組成傳動(dòng)副，轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸做成一體，齒條常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體。根據(jù)輸入齒輪和輸出特點(diǎn)不同，可以將齒輪齒條轉(zhuǎn)向器分為四種形式：中間輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，中間輸出以及側(cè)面輸入，一端輸出。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，質(zhì)量和體積都比較小，便于加工制造；傳動(dòng)效率高，可以高達(dá)90%；利用裝在齒條背部的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧能夠消除齒輪和齒條之間因?yàn)槟p產(chǎn)生的間隙，可以提高賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度和防止轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作產(chǎn)生沖擊和噪聲，也防止間隙過大影響轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向角度大；工作噪聲小，制造成本低。齒條齒條轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)有：因?yàn)辇X輪齒條轉(zhuǎn)向器的正效率很高，帶來了較高的逆效率。一般可達(dá)60%-70%，當(dāng)賽車在不平路面駕駛時(shí)，車輪與地面之間的沖擊很容易傳遞給方向盤，即產(chǎn)生反沖。這對(duì)于賽車手駕駛十分不利。一方面帶來較大的轉(zhuǎn)向力矩，給車手操縱方向盤帶來困難；另一方面，方向盤反沖給賽車手帶來強(qiáng)烈的“路感”沖擊，造成車手的精神緊張或者打手造成傷害。齒輪齒條能夠承受的載荷并不大，所以不適用在載重較高的車上，且不適用在非獨(dú)立懸架的乘用車中。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的兩對(duì)傳動(dòng)副分別由螺桿和螺母共同構(gòu)成的螺旋槽內(nèi)的鋼球以及螺母上的齒條和搖臂軸的齒扇組成。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)有：因?yàn)閭鲃?dòng)副由鋼球構(gòu)成，所以滾動(dòng)的鋼球可以將原本的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低了摩擦因數(shù)，故傳動(dòng)效率較高可達(dá)75%-85%；改良結(jié)構(gòu)工藝性如改善表面粗糙度、對(duì)螺桿螺母的螺旋槽進(jìn)行淬火和磨削加工后，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可以具有較大的硬度和耐磨性，提高使用壽命；由于齒輪工作半徑可調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可變；齒條和齒扇之間的間隙易于調(diào)整；工作平穩(wěn)可靠。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)有：和齒輪齒條轉(zhuǎn)向器類似，具有較高正效率的同時(shí)也帶來了較高逆效率的負(fù)擔(dān)。如上文中所述，在不平路面上，方向盤“反沖”的存在，會(huì)造成的駕駛員緊張甚至有打手的可能。除此以外，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)制造精度的要求較高，對(duì)大學(xué)生來講設(shè)計(jì)制造略有難度。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副一般是由球面蝸桿和滾輪嚙合構(gòu)成。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)和制造；傳動(dòng)副中滾輪的齒面和球面蝸桿的螺紋是通過面接觸，故強(qiáng)度較高，工作可靠，壽命長(zhǎng)；逆效率低，會(huì)大大減少方向盤的反沖和打手。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是正效率低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏度較低，對(duì)于賽車這種對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏度要求較高的使用條件不適用；傳動(dòng)副磨損后造成的間隙不易于調(diào)節(jié)，調(diào)隙機(jī)構(gòu)不易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)向器不能實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)比，目前應(yīng)用較少。蝸桿指銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器根據(jù)轉(zhuǎn)向器的銷子能否自轉(zhuǎn)可以分為固定銷式蝸桿指銷轉(zhuǎn)向器和旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。傳動(dòng)副為轉(zhuǎn)向蝸桿和指銷，可選擇性大，目前應(yīng)用較少，多用于載重較大的商用車。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)有：固定銷式蝸桿指銷轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造；旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器因?yàn)樽陨礓N子可以繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所以工作效率高，磨損小，壽命長(zhǎng)；雙銷式轉(zhuǎn)向器可以保證搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角，滿足使用要求且降低了單個(gè)銷子的負(fù)荷，減少磨損，壽命長(zhǎng)；傳動(dòng)比可以根據(jù)需求做成不變的或者變化的；蝸桿與指銷的工作面發(fā)生磨損后，容易調(diào)節(jié)間隙。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)有：固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的銷子不能自轉(zhuǎn)帶來較大的磨損，工作效率低，壽命短；雙銷式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，質(zhì)量也大，且對(duì)尺寸精度要求高，調(diào)隙范圍和傳動(dòng)比的變化范圍比較局限。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器方案比較和選型綜合分析汽車設(shè)計(jì)、賽車使用條件以及方大學(xué)生程式大賽規(guī)則對(duì)賽車轉(zhuǎn)向器提出以下要求：由于大學(xué)生制造能力有限，賽車轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和便于維修的特點(diǎn)，盡量不進(jìn)行特種加工。由于賽車運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)力學(xué)要求更高，賽車輕量化是賽車設(shè)計(jì)的一大目標(biāo)，所以賽車轉(zhuǎn)向器應(yīng)盡量做到輕量化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向器的殼體選擇鋁合金等輕型材料。除了設(shè)計(jì)因素，從實(shí)際成本把控的角度看，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件數(shù)目少在各總成中占據(jù)的造價(jià)比例最小，所以在選擇轉(zhuǎn)向器材料時(shí)要充分考慮價(jià)格因素的影響，選擇價(jià)格可接受的材料和加工工藝。賽車采用前輪轉(zhuǎn)向，根據(jù)方程式大賽規(guī)則要求，為了保證駕駛艙內(nèi)部橫截面有足夠的尺寸，用如下圖所示的模板在豎直狀態(tài)下沿水平方向放入駕駛艙，直到距離踏板后端面之后100mm以檢測(cè)內(nèi)部橫截面尺寸。故要求轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)尺寸滿足駕駛艙內(nèi)部尺寸要求，節(jié)省駕駛艙空間。賽車競(jìng)技過程有較多彎道和樁桶，轉(zhuǎn)彎半徑比較小，轉(zhuǎn)向器需要滿足極限轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)角要求。綜合以上，參照機(jī)械式轉(zhuǎn)向器各種類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為FSAE賽車的轉(zhuǎn)向器。首先，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)較為突出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制造、尺寸小、正效率高、成本低，將齒條與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體，容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向較大角度。其次，雖然齒輪齒條轉(zhuǎn)向器有逆效率高的缺點(diǎn)，可能出現(xiàn)反沖、打手的情況，但是由于賽車的駕駛員不同于一般乘用車駕駛能力不一的駕駛員，賽車手一般經(jīng)過專業(yè)的訓(xùn)練，有充足的駕駛經(jīng)驗(yàn)，駕駛體能強(qiáng)于一般人，對(duì)賽車的掌控能力很強(qiáng)，所以能夠適應(yīng)轉(zhuǎn)向反饋，不會(huì)造成駕駛時(shí)精神過度緊張的情況，賽車比賽持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，最考驗(yàn)賽車的耐久賽總里程不超過20公里，所以不會(huì)造成賽車手駕駛疲勞，所以逆效率的缺點(diǎn)可以通過駕駛員素質(zhì)克服。相比于其他種類的機(jī)械轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器最適合FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。第2節(jié)方向盤設(shè)計(jì)方向盤將車手施加在其邊緣上的力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩傳遞給轉(zhuǎn)向柱。在電動(dòng)賽車比賽中，沒有換擋撥片供車手操縱換擋，方向盤是車手駕駛過程中操縱最多的機(jī)構(gòu)。方向盤的設(shè)計(jì)需要充分考慮車手駕駛的舒適性和操縱穩(wěn)定性。根據(jù)大學(xué)生方程式大學(xué)規(guī)則對(duì)方向盤提出如下要求：無(wú)論方向盤在任何轉(zhuǎn)角下，其最高點(diǎn)都必須低于前環(huán)最高點(diǎn)，以保證賽車出現(xiàn)意外翻轉(zhuǎn)時(shí)賽車手的手部不與地面接觸防止受傷。轉(zhuǎn)向輪擺正情況下，沿賽車中心線、從前環(huán)后端到方向盤前端水平測(cè)量前環(huán)與方向盤前的距離不得超過250mm(9.8英寸)，以保證車手能夠緊急逃生。方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。方向盤的外輪廓可以有一些趨向直線的地方，但不能存在內(nèi)凹。禁止使用H形、8型或外輪廓有開口的方向盤。根據(jù)規(guī)則，設(shè)計(jì)方向盤如下圖所示。該方向盤除了滿足基本方程式賽車方向盤設(shè)計(jì)要求外，還采用碳纖維材料，面板上集成了整車電控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了多功能一體化，方便賽車手實(shí)時(shí)掌握賽車狀態(tài)，做出最優(yōu)駕駛策略。手柄采用人機(jī)工程設(shè)計(jì)，根據(jù)駕駛員手型制作油泥模型，利用3D掃描儀掃描后進(jìn)行逆向建模，建模完成后采用輕質(zhì)代木進(jìn)行銑削加工，手柄更貼合駕駛員手掌，握感舒適，有利于提高駕駛成績(jī)。如圖所示為車架與轉(zhuǎn)向系的裝配圖。通過測(cè)量，方向盤在從前環(huán)后端到方向盤前端的水平距離為97mm,保證車手能緊急逃生，方向盤處于最高點(diǎn)時(shí)低于前環(huán)最高點(diǎn)，滿足規(guī)則要求。在垂直方向上，方向盤處于最高點(diǎn)時(shí)與前環(huán)最高點(diǎn)之間的最小距離為26mm。第2節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)向角度的設(shè)計(jì)方程式賽車不同于專門的越野賽或耐久賽，主要考驗(yàn)的是賽車的極限速度。對(duì)賽道環(huán)境要求較高，賽道越平整，賽車的抓地性能就越好。中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽舉辦地是襄陽(yáng)的夢(mèng)想方程式賽道，由襄陽(yáng)市政府專門為FSAE比賽建立。而中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的舉辦地是上海國(guó)際賽車場(chǎng)，也是頂級(jí)的方程式賽道，每年的F1方程式大賽中國(guó)站在這里舉行。其他比賽如世界杯汽車大獎(jiǎng)賽（A1），世界摩托車大獎(jiǎng)賽（MotoGP），全國(guó)房車錦標(biāo)賽（CTCC）也曾在這里舉行。上海國(guó)際賽車場(chǎng)的賽道的總長(zhǎng)度為5451.24米，具有十分有特色的螺線型收縮彎道，轉(zhuǎn)彎半徑變化大。在方程式比賽中，會(huì)設(shè)置較多的彎道以及樁桶來考驗(yàn)賽車的過彎性能和車手對(duì)賽車的操控性。在耐久賽中，有半徑在30米到54米的定半徑彎、彎道最小外徑為9米的發(fā)夾彎以及以9.0米到15.0米的間隔直線排列的蛇形穿樁。這樣的多彎道比賽規(guī)則要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足賽車有足夠大的轉(zhuǎn)向角度順利進(jìn)入彎道保證賽車的過彎能力。賽車過彎時(shí)為了有一定的轉(zhuǎn)向角度就需要縮小轉(zhuǎn)彎半徑，故賽車的過彎能力很大程度取決于賽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑。賽車的底盤設(shè)計(jì)時(shí)，一般使其具備一定的不足轉(zhuǎn)向特性，防止過多轉(zhuǎn)向的出現(xiàn)，所以綜合考慮賽車不足轉(zhuǎn)向特性和賽道的最小轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)計(jì)賽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為3.5米。在賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，影響最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要是外側(cè)車輪。為了確定賽車有足夠的轉(zhuǎn)向角度，根據(jù)上文中設(shè)計(jì)的賽車最小轉(zhuǎn)彎半徑可以算出外側(cè)車輪的最大轉(zhuǎn)角。計(jì)算公式如下： 其中,Ro為車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，單位mm；L為賽車的軸距,單位mm；θo為外車車輪的轉(zhuǎn)角,單位°；（下文中含義相同）c為賽車的主銷偏置距，單位mm。由上式3-1可知，外側(cè)車輪的最大轉(zhuǎn)角為： 已知賽車的軸距L=1575mm;最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin=3.5mm；主銷偏置距c=49mm。代入式3-2得：θmax=23.49°，故確定賽車轉(zhuǎn)向的外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角為23.49°。轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤的角速度ωw與轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ωk之比，即轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比，也可以用方向盤轉(zhuǎn)角的變化量φ與轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角變化量βK之比來表示。由于乘用車上兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)的角度不同，一般取其平均值進(jìn)行計(jì)算。如下式中所示：其中，Δφ是方向盤轉(zhuǎn)角變化量，,分別是內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角變化量，單位°。對(duì)于乘用車而言，在一定的方向盤轉(zhuǎn)角下，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度與轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比成反比；增大角傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向輪響應(yīng)遲緩，轉(zhuǎn)向靈敏度低。但從力傳動(dòng)比的角度看，增大角傳動(dòng)比可以增大力傳動(dòng)比，使操縱輕便。故增大角傳動(dòng)比時(shí)，會(huì)形成“輕”與“靈”的矛盾。一般選用變速比的轉(zhuǎn)向器或助力轉(zhuǎn)向裝置解決這對(duì)矛盾。但方程式賽車由于布置空間和規(guī)則要求的限制，無(wú)法采用助力轉(zhuǎn)向或變速比轉(zhuǎn)向。基于上述因素，在確定FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)：方向盤轉(zhuǎn)角：上文中提到賽車與乘用車一大不同就是對(duì)于轉(zhuǎn)向靈敏度的要求。一般乘用車對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏度要求并不是十分高，轉(zhuǎn)向的自由行程大。乘用車行駛速度低，轉(zhuǎn)向時(shí)有充足的反應(yīng)時(shí)間。方向盤轉(zhuǎn)向范圍較大，一般最大單側(cè)轉(zhuǎn)角可達(dá)540°；賽車對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏度要求很高，轉(zhuǎn)向時(shí)車速很高，且為了更快的通過彎道，對(duì)車手的反應(yīng)速度和操作速度要求較快。為了轉(zhuǎn)向時(shí)盡量給車手提供方便快速的操作環(huán)境，賽車方向盤保證車手能夠不換手操作。所以賽車方向盤的單側(cè)最大轉(zhuǎn)角一般不超過180°。齒條行程：齒輪齒條轉(zhuǎn)向器采用齒輪和齒條作為傳動(dòng)副，傳動(dòng)比越大，齒條行程越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向器體積越大。但根據(jù)賽車轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)要求，為了滿足駕駛艙內(nèi)部尺寸要求，轉(zhuǎn)向器的體積應(yīng)盡量設(shè)計(jì)的小一些。所以齒條行程應(yīng)盡量短。方向盤手力：根據(jù)上文中提到的方向盤設(shè)計(jì)要求，為了保證方向盤最高點(diǎn)不超過主環(huán)最高點(diǎn)，方向盤直徑設(shè)計(jì)較小。方向盤手力由角傳動(dòng)比以及方向盤尺寸等決定，為了便于賽車手操縱，方向盤手力應(yīng)小一些。梯形臂長(zhǎng)度：設(shè)計(jì)梯形臂長(zhǎng)度時(shí)，需要考慮梯形臂的安裝空間。在裝配整車輪邊時(shí)，需要在一定的空間內(nèi)安裝輪轂、制動(dòng)盤、懸架桿系、制動(dòng)卡鉗以及轉(zhuǎn)向節(jié)等，因?yàn)橘愜囕嗇y較小，安裝空間本來就比較有限，安裝零件較多，留給梯形臂的空間狹小，所以經(jīng)常出現(xiàn)與輪輞的干涉情況，故設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留一定的扳手空間。綜合以上在設(shè)計(jì)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比需要考慮的主要問題，對(duì)比一般乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比在16:1到20:1的范圍之間。為了滿足賽車快速轉(zhuǎn)向的要求，賽車的角傳動(dòng)比應(yīng)該越小越好。比如F1賽車的傳動(dòng)比一般在10:1以內(nèi)，有些轉(zhuǎn)向迅速的卡丁車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比可以達(dá)到1：1。在盡量減小傳動(dòng)比加快轉(zhuǎn)向的同時(shí)也需要考慮賽車手的操縱難度，保證賽車手能夠有足夠的體力開完全程，手力不能過大。故最終選取FSAE賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比為6:1，，當(dāng)賽車外側(cè)車輪達(dá)到最大轉(zhuǎn)角23.5°時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)過的最大角度為141°，在此角度下賽車手無(wú)需換手操作方向盤。轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比包括角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比。對(duì)于轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比的定義為轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向阻力矩之比。如下式所示： 其中，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比；為在轉(zhuǎn)向節(jié)上克服的轉(zhuǎn)向阻力矩，單位N*m；為賽車手施加在方向盤上的轉(zhuǎn)矩,單位N*m。在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比的計(jì)算： 其中為賽車轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比，為轉(zhuǎn)向器在實(shí)際情況下的效率，為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際效率。上文中已經(jīng)確定FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比為6:1，查資料可知齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的使用效率在90%左右，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可分為兩部分，傳動(dòng)萬(wàn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向桿系，傳動(dòng)效率較高，取為85%。所以，根據(jù)式3-5計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比為： 第3節(jié)轉(zhuǎn)向計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)齒條行程以及梯形臂長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒條行程與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的梯形臂的長(zhǎng)度都是保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比的必要因素。其他因素例如梯形底角、轉(zhuǎn)向桿系的壓力角等也會(huì)影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比。本節(jié)主要以賽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)初選主要影響因素齒條行程以及梯形臂的長(zhǎng)度，次要因素在接下來的優(yōu)化中具體討論。在乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪模數(shù)選取在2mm-3mm的范圍內(nèi)，但賽車與乘用車相比更加輕巧靈活，設(shè)計(jì)偏重于輕量化和操控性，所以質(zhì)量輕，力矩小。故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和輕量化設(shè)計(jì)，選擇齒輪模數(shù)為1.5mm,為了保證駕駛艙空間，轉(zhuǎn)向器尺寸越小越好，所以選擇齒數(shù)為17，壓力角根據(jù)一般齒輪設(shè)計(jì)原則初選20°，螺旋角為0°。根據(jù)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向軸連接方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的動(dòng)力傳遞，轉(zhuǎn)向柱與兩端連接角度相同的十字軸萬(wàn)向節(jié)共同構(gòu)成了等速萬(wàn)向節(jié)。當(dāng)車手轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，齒輪軸也將轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度。因此，上文中設(shè)計(jì)得到的方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角141°，也是齒輪軸的最大轉(zhuǎn)向角度。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器正常工作時(shí)，齒輪旋轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)與齒條移動(dòng)的行程相同，故齒條單側(cè)行程可據(jù)此計(jì)算為得到： 所以齒條的總行程為64mm。當(dāng)齒條達(dá)到單側(cè)最大移動(dòng)行程時(shí)，方向盤已經(jīng)打到了單側(cè)最大轉(zhuǎn)角。此時(shí)外側(cè)車輪達(dá)到最大轉(zhuǎn)角141°。忽略其他因素的影響，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)角與齒條行程之間的傳動(dòng)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)向梯形臂的長(zhǎng)度如下： 綜上，我們初步確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒條行程和轉(zhuǎn)向梯形臂的長(zhǎng)度。在接下來我們會(huì)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究?jī)?yōu)化這兩項(xiàng)參數(shù)。但變化較小，也不會(huì)影響對(duì)其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算載荷的確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計(jì)算載荷指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全部零件承受力的強(qiáng)度，由作用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩決定。其主要影響因素有轉(zhuǎn)向軸的垂直載荷、輪胎型號(hào)、輪胎氣壓、道路條件以及車速條件等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要克服的阻力主要來自前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)